霧化閃蒸系統(tǒng)中過(guò)熱液滴泡狀破碎現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

張嘉豪

（上海海事大學(xué)商船學(xué)院，上海201306）

0 引言

溶液除濕空調(diào)因其空氣溫濕度獨(dú)立控制，低能耗，可有效利用低品位能源而愈發(fā)受到重視［1］。但作為溶液除濕空調(diào)的關(guān)鍵步驟，如何保證除濕后濃溶液有效再生仍是一個(gè)嚴(yán)峻的問(wèn)題。現(xiàn)有再生器可分為空氣式和沸騰式兩類。空氣式再生器效率受再生空氣狀態(tài)影響較大，沸騰式再生器效率較高，但溶液再生所需熱源品位更高，無(wú)法利用低品位熱源。

真空霧化閃蒸技術(shù)作為溶液濃縮技術(shù)，通過(guò)溶液霧化，增加溶液比表面積，可以有效強(qiáng)化閃蒸效果，提升溶液分離率；同時(shí)可降低所需熱源溫度，使得工業(yè)余熱、太陽(yáng)能等低品位熱源在除濕溶液再生等領(lǐng)域具有可利用價(jià)值。早在1981年，Miyatake［2］［3］等人就提出真空噴射閃蒸系統(tǒng)，并研究溶液過(guò)熱度、噴嘴流量、噴口直徑對(duì)于蒸發(fā)率的影響，并得出結(jié)論：霧化閃蒸系統(tǒng)的溶液分離率高于傳統(tǒng)閃蒸系統(tǒng)。Hamawand［4］等人提出了一種利用太陽(yáng)能的真空閃蒸海水淡化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可利用真空泵余熱和太陽(yáng)能電池板加熱入口鹽水以提升系統(tǒng)效率，日淡水產(chǎn)量可達(dá)15kg／m2。本實(shí)驗(yàn)室［5］充分利用結(jié)合熱管高效傳熱和真空霧化閃蒸技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于熱管傳熱的真空霧化閃蒸系統(tǒng)，研究結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)單級(jí)閃蒸，溶液分離率得到大幅提升，分離率最高可到65%以上。

然而，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)過(guò)冷微細(xì)霧滴接觸到加熱壁面后，溶液并非完全蒸發(fā)，部分液體附著于加熱面形成液膜或凝聚成大液滴，逐步進(jìn)入過(guò)熱亞穩(wěn)態(tài)，并伴隨有液滴破碎現(xiàn)象。為了有效利用低品味熱源，提升真空霧化閃蒸技術(shù)性能，本文采用可視化技術(shù)觀察真空環(huán)境中3.5wt%鹽水液滴在加熱表面上的液滴破碎過(guò)程，分析液滴破碎過(guò)程中表面過(guò)熱度、熱流密度、環(huán)境壓力對(duì)于液滴破碎過(guò)程的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與原理

實(shí)驗(yàn)裝置：

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括蒸發(fā)室、冷凝室、原液罐、儲(chǔ)液罐、真空泵、電源、圖像采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖2為蒸發(fā)室示意圖，蒸發(fā)室為透明圓柱形結(jié)構(gòu)，由上下盲板和硼硅酸鹽玻璃 （內(nèi)徑180mm，厚度10mm）組成。上盲板連接冷凝器以冷凝淡化過(guò)程中生成的水蒸汽；真空泵間歇性抽取實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的不凝性氣體；安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集蒸發(fā)室內(nèi)壓力值與熱電偶溫度，壓力傳感器與熱電偶參數(shù)見(jiàn)表1。下盲板布有3根加熱豎管；每根豎管一側(cè)平均布有5個(gè)熱電偶，如圖3所示。排液口連接儲(chǔ)液罐，保證蒸發(fā)室內(nèi)無(wú)液體積蓄。3根8mm×150mm（外徑×長(zhǎng)度）100w直流電加熱棒內(nèi)置于下盲板中。

圖像采集系統(tǒng)采用瑞士AOSX－PRI高速攝像機(jī)，最大采集幀率為1000fps，單次拍攝時(shí)間為5.5s；光源采用150w鹵素冷光源。

圖1 裝置原理圖

表1 不同測(cè)量設(shè)備性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)開始前，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀，監(jiān)測(cè)熱電偶與壓力傳感器數(shù)值。隨后，關(guān)閉真空閥門并啟動(dòng)真空泵和冷凝器，保證實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)真空度和冷卻水溫度達(dá)到工況要求。然后打開電加熱系統(tǒng)，當(dāng)電熱管表面溫度達(dá)到工況所需值時(shí)，打開真空閥門，測(cè)試工質(zhì) （水、3.5wt%NaCl溶液）由于內(nèi)外壓差而輸送入蒸發(fā)室內(nèi)，如圖2所示。測(cè)試液體從原液罐輸送至蒸發(fā)室后，離心式噴嘴將液體霧化成大量微細(xì)霧滴。過(guò)熱霧滴因瞬間失壓而閃蒸，由于比表面積變大，液體閃蒸效果增強(qiáng)，霧滴主體溫度迅速進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)，并噴向經(jīng)過(guò)預(yù)熱的加熱棒。液滴接觸加熱棒后，部分霧滴受熱直接蒸發(fā)，剩余液體接觸豎管表面并凝聚形成液膜或液滴，并逐步進(jìn)入過(guò)熱狀態(tài)。隨著加熱過(guò)程深入，過(guò)熱液體出現(xiàn)液滴破碎現(xiàn)象。液體蒸發(fā)過(guò)程中生成的水蒸汽通過(guò)管道進(jìn)入冷凝室內(nèi)冷凝。未接觸豎管液體和加熱后濃溶液經(jīng)由排液孔流向儲(chǔ)液室。

實(shí)驗(yàn)工況如表2所示，本文主要研究環(huán)境壓力、表面過(guò)熱度、熱流密度對(duì)于液體破碎特性的影響。所有實(shí)驗(yàn)工況中噴嘴高度、流量保持不變，分別為80mm和200ml／min，冷凝器溫度為12℃，環(huán)境溫度30℃。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

2 結(jié)果與討論

2.1 鹽水典型破碎

圖2為工況1下鹽水的泡狀破碎過(guò)程。隨著持續(xù)加熱，可以觀察到1ms時(shí)液滴上表面出現(xiàn)白色泡沫狀區(qū)域，水從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，生成氣泡。隨著時(shí)間深入，氣泡隨時(shí)間持續(xù)膨脹，到達(dá)一定尺寸后，當(dāng)內(nèi)部壓力大于液膜表面張力時(shí)，液膜塌縮，氣泡破碎，部分液滴飛濺，殘余部分留在加熱壁面上。

2.2 液滴破碎機(jī)理分析

圖2 3.5wt%鹽水的泡狀破碎過(guò)程

通常常壓下液滴受熱內(nèi)部出現(xiàn)多個(gè)核化沸騰點(diǎn)，并位于液滴下層靠近加熱壁面處［6］，而真空閃蒸環(huán)境液滴破碎現(xiàn)象則與之相反，如圖2所示，1ms時(shí)液滴上層均出現(xiàn)核化點(diǎn)，隨后出現(xiàn)液滴破碎現(xiàn)象。這說(shuō)明真空環(huán)境液滴破碎行為主要受液滴內(nèi)部Marangoni對(duì)流的影響，而Marangoni對(duì)流效應(yīng)主要受溫度梯度和濃度梯度影響［7］［8］。蒸發(fā)過(guò)程中，液滴底部受熱，邊緣的液體蒸發(fā)后由液滴內(nèi)液體自發(fā)向邊緣處移動(dòng)以補(bǔ)充液滴，導(dǎo)致液滴內(nèi)部溫度場(chǎng)不均勻，導(dǎo)致Marangoni熱對(duì)流出現(xiàn)。同時(shí)液滴下層邊緣溶液受熱蒸發(fā)后，濃度增加，邊界層形成濃度梯度。液滴內(nèi)部溫度梯度和濃度梯度，使得液滴存在表面張力梯度，直接導(dǎo)致Marangoni效應(yīng)的生成，促進(jìn)了界面流體更新，將底層熱流體沿液滴氣－液界面推向液滴上層。到達(dá)上層區(qū)域的熱流體推動(dòng)液滴內(nèi)部冷流體向下運(yùn)動(dòng)，從而形成Marangoni對(duì)流。由于液滴處在高真空環(huán)境下，熱流體受熱后很快達(dá)到對(duì)應(yīng)壓力下飽和溫度，但液體主體并不蒸發(fā)而處于過(guò)熱亞穩(wěn)態(tài)［9］。同時(shí)，大量過(guò)冷微細(xì)霧滴接觸液滴上表面。所以，當(dāng)熱流體流向液滴上層，匯聚并接觸冷流體時(shí)，過(guò)熱流體所受擾動(dòng)最大，使得液體無(wú)法保持亞穩(wěn)態(tài)而自發(fā)急驟式轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài)，液滴由此出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。

2.3 同參數(shù)對(duì)液滴破碎特性的影響

（1）環(huán)境壓力的影響

圖3為工況2下3.5wt%鹽水溶液的液滴破碎時(shí)間分布圖?？梢钥吹?，液滴破碎時(shí)間隨著壓力的增加而增加。比如當(dāng)加熱表面溫度為50℃時(shí)，在環(huán)境壓力5kPa、7.5kPa、10kPa的條件下，液滴破碎時(shí)間分別為11.4ms、17.3ms、40.6ms。這是因?yàn)辂}水溶液接觸熱表面時(shí)，由于溶劑氣化使得導(dǎo)致溶質(zhì)聚集于氣－液表面，表面濃度升高，強(qiáng)化Marangoni對(duì)流效應(yīng)，從而強(qiáng)化換熱，促進(jìn)液滴破碎

（2）熱流密度的影響

圖4為工況3、4下3.5wt%鹽水溶液的液滴破碎時(shí)間分布圖。相同工況下，液滴破碎時(shí)間受熱流密度的影響較小。當(dāng)壓力5kPa，表面過(guò)熱度25℃時(shí)，熱流密度0.5W／m2、1.5W／m2的破碎時(shí)間分別為7.3ms、6.2ms。過(guò)熱度達(dá)到45℃時(shí)，破碎時(shí)間分別為5.3ms、5.2ms。鹽水液滴由于其內(nèi)部濃度梯度的存在，促進(jìn)內(nèi)部Marangoni對(duì)流，使得較小熱流密度下，冷熱流體擾動(dòng)已足夠大，使得液滴破碎時(shí)間達(dá)到較大值，并基本不受熱流密度影響。

圖3 不同壓力下液滴破碎時(shí)間圖

（3）表明過(guò)熱度的影響

圖5為鹽水溶液在工況5下表面過(guò)熱度對(duì)液滴破碎時(shí)間的影響?？梢钥吹剑嗤r條件下，液滴隨著表面過(guò)熱度的增加而降低。液滴在5Pa壓力下，表面過(guò)熱度為13.7℃、54.2℃時(shí)，破碎時(shí)間分別為13.7ms，4.7ms。這是由于表面過(guò)熱度的增加，使得相同熱流密度條件下，液滴底層溫升更快，液滴內(nèi)部溫度梯度變大，表面張力梯度變大，進(jìn)而導(dǎo)致Marangoni對(duì)流增強(qiáng)，促進(jìn)傳熱傳質(zhì)。

3 結(jié)論

圖5 不同表面過(guò)熱度下液滴破碎時(shí)間圖

通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)觀察真空環(huán)境下熱表面處過(guò)熱液滴破碎現(xiàn)象；并分析環(huán)境壓力、熱流密度、表面過(guò)熱度等因素對(duì)水和3.5wt%鹽水液滴破碎時(shí)間的影響，得到的主要結(jié)論如下：

（1）真空霧化環(huán)境下，3.5wt%鹽水液滴破碎現(xiàn)象主要為泡狀破碎過(guò)程。首先，過(guò)熱液滴上表面出現(xiàn)白色泡沫區(qū)域即核化點(diǎn)；然后，核化點(diǎn)生成氣泡并不斷生長(zhǎng)；氣泡生長(zhǎng)到一定尺寸后液膜坍縮，氣泡破碎，液滴飛濺。

（2）液滴內(nèi)部由于溫度梯度和濃度梯度的影響，導(dǎo)致Marangoni對(duì)流的生成，促進(jìn)液滴傳熱傳質(zhì)。同時(shí)，液體處于過(guò)熱亞穩(wěn)定態(tài)，當(dāng)受到一較大擾動(dòng)時(shí)，會(huì)自發(fā)急驟式轉(zhuǎn)變?yōu)槠麘B(tài)出現(xiàn)液滴破碎現(xiàn)象。

（3）3.5wt%鹽水液滴破碎時(shí)間主要受到環(huán)境壓力和表面過(guò)熱度的影響。熱流密度對(duì)液滴破碎時(shí)間基本沒(méi)有影響。相同工況下，環(huán)境壓力越大，液滴破碎時(shí)間越長(zhǎng)。表面過(guò)熱度的增加會(huì)縮短液滴破碎時(shí)間。

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